Proof-of-work và proof-of-stake là hai cơ chế đồng thuận chính hiện đang được các dự án tài chính phi tập trung (DeFi) sử dụng để mật mã đạt được sự đồng thuận trên các mạng tiền điện tử. Khi Satoshi Nakamoto tạo ra Bitcoin (tiền điện tử đầu tiên), họ cần tìm ra phương tiện để xác minh các giao dịch mà không cần sự tham gia của bên thứ ba. Để đạt được điều này, họ đã sử dụng một cơ chế đồng thuận được gọi là bằng chứng công việc để cho phép các mạng đồng ý về giao dịch nào là hợp lệ.
Mặc dù lịch sử giao dịch của Bitcoin (BTC) được giải trình tự an toàn bằng cách sử dụng bằng chứng công việc (Proof-of-Work – PoW), nhưng nó tiêu thụ rất nhiều điện và số lượng giao dịch mà nó có thể xử lý cùng một lúc bị hạn chế. Kết quả là, các cơ chế đồng thuận mới tập trung vào phương pháp ít tiêu tốn năng lượng hơn đã xuất hiện, trong đó mô hình bằng chứng cổ phần (Proof-of-Stake – PoS) là một trong những mô hình nổi bật nhất. Các cơ chế đồng thuận này cho phép các mạng máy tính cộng tác trong khi vẫn bảo mật.
Mạng lưới blockchain cần giải quyết một số vấn đề để hoạt động hiệu quả.
Ví dụ: không có cơ quan trung ương như ngân hàng hoặc FinTechs (ví dụ :PayPal) ở giữa, các mạng lưới tiền điện tử phi tập trung phải đảm bảo rằng không có bên nào trong mạng chi tiêu nhiều lần cùng một khoản tiền. Hơn nữa, cơ chế đồng thuận ngăn không cho mạng bị trật bánh qua một đợt hard fork.
Tuy nhiên, trong một tổ chức tập trung như ngân hàng, hội đồng quản trị hoặc cơ quan quản lý sẽ kiểm soát các hoạt động đó. Trong khi tiền điện tử dựa trên một cộng đồng, vì vậy blockchain phải đạt được sự đồng thuận để xác minh các giao dịch và khối.
Proof-of-work và proof-of-stake là hai cơ chế đồng thuận chính hiện đang được các dự án tài chính phi tập trung (DeFi) sử dụng để mật mã đạt được sự đồng thuận trên các mạng tiền điện tử. Khi Satoshi Nakamoto tạo ra Bitcoin (tiền điện tử đầu tiên), họ cần tìm ra phương tiện để xác minh các giao dịch mà không cần sự tham gia của bên thứ ba. Để đạt được điều này, họ đã sử dụng một cơ chế đồng thuận được gọi là bằng chứng công việc để cho phép các mạng đồng ý về giao dịch nào là hợp lệ.
Ngược lại, bằng chứng cổ phần (Proof-of-Stake – PoS) là một phương pháp đồng thuận hiện đại hỗ trợ các dự án DeFi mới hơn và tiền điện tử. Một số dự án bắt đầu với PoS ngay lập tức hoặc đang chuyển sang PoS từ PoW. Tuy nhiên, việc xây dựng mạng đồng thuận PoS ngay lập tức là một vấn đề công nghệ quan trọng và nó không đơn giản như việc sử dụng PoW để đạt được sự đồng thuận của mạng.
1. Proof-of-Work – PoW là gì ?
Proof-of-work lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1993 để chống lại các email spam trên mạng và các cuộc tấn công từ chối dịch vụ. Khái niệm PoW sau đó đã được phổ biến bởi Satoshi Nakamoto để xác thực các khối mới trong mạng Bitcoin vào năm 2008.
PoW dựa trên năng lực của người dùng mạng để chứng minh rằng một tác vụ tính toán đã được hoàn thành. Để trả lời một phương trình toán học, một số sức mạnh tính toán được gọi là nút được sử dụng và khi phương trình được giải quyết, một khối mới trên chuỗi sẽ được xác nhận. Nút là bất kỳ thiết bị vật lý nào như một máy tính cá nhân có thể nhận, gửi hoặc chuyển tiếp dữ liệu trong mạng các công cụ khác.
Người giải câu trả lời một câu đố toán học nhanh nhất sẽ tạo ra một liên kết mật mã giữa các khối hiện tại và khối trước đó và kiếm được một số tiền điện tử mới được đúc. Quá trình này được gọi là khai thác và người giải được gọi là người khai thác. Nhờ những nỗ lực kết hợp của họ mà một blockchain được giữ an toàn cho tất cả các bên liên quan. Hơn nữa, nhiệm vụ tính toán để giải câu đố này được gọi là bằng chứng công việc.
2. PoW hoạt động như thế nào ?
Blockchain là một hệ thống bao gồm một loạt các khối được sắp xếp theo thứ tự thời gian dựa trên một thứ tự giao dịch được gọi là thứ tự blockchain. Khối genesis, hoặc khối 0, là khối đầu tiên trong chuỗi khối PoW, được mã hóa cứng vào phần mềm. Khối này, theo định nghĩa, không tham chiếu đến khối trước đó. Các khối tiếp theo được tải lên blockchain luôn tham chiếu trở lại các khối trước đó và chứa một bản sao sổ cái hoàn chỉnh và cập nhật.
Thông qua một cuộc đua cạnh tranh, trong đó một số người tham gia hoặc thợ đào được khuyến khích sử dụng tài nguyên tính toán để gửi các khối hợp pháp phù hợp với quy định của mạng, các thuật toán PoW chọn người có thể sửa đổi sổ cái với các mục mới. Sổ cái theo dõi tất cả các giao dịch và sắp xếp chúng thành các khối liên tiếp để không người dùng nào có thể tiêu tiền của họ hai lần. Để tránh giả mạo, sổ cái được phân phối, cho phép những người dùng khác từ chối phiên bản đã thay đổi một cách nhanh chóng.
Trên thực tế, người dùng xác định việc giả mạo bằng cách sử dụng hàm băm, là các chuỗi số dài đóng vai trò như bằng chứng công việc. Hàm băm là một hàm một chiều, có nghĩa là nó chỉ có thể được sử dụng để kiểm tra xem dữ liệu tạo ra hàm băm có khớp với dữ liệu ban đầu hay không.
Sau đó, các nút xác minh các giao dịch, ngăn chặn chi tiêu kép và quyết định xem có nên thêm các khối được đề xuất vào chuỗi hay không. Hành động thanh toán hai lần bằng cùng một loại tiền tệ để đánh lừa người nhận các khoản tiền đó được gọi là chi tiêu gấp đôi. Việc chi tiêu gấp đôi sẽ tàn phá mạng lưới và loại bỏ một trong những tính năng có giá trị nhất của nó: tính bất biến, tính phi tập trung và tính không tin cậy.
Proof-of-work khiến việc chi tiêu gấp đôi trở nên vô cùng khó khăn vì việc thay đổi bất kỳ phần nào của chuỗi khối sẽ liên quan đến việc khai thác lại tất cả các khối tiếp theo. Bởi vì máy móc và năng lượng cần thiết để thực hiện các hàm băm là đắt tiền, nó làm cho người dùng không thể độc quyền về khả năng xử lý của mạng.
Hơn nữa, để tạo ra sự đồng thuận và đảm bảo tính hợp pháp của các giao dịch được ghi lại trong chuỗi khối, giao thức PoW kết hợp sức mạnh tính toán với mật mã.
Các thợ mỏ cạnh tranh để phát triển câu trả lời chính xác cho các vấn đề toán học trong quá trình băm để tạo ra các khối mới. Những người khai thác đạt được điều này bằng cách đoán một hàm băm, là một chuỗi các số giả ngẫu nhiên. Hàm băm mật mã (ví dụ: SHA-256) là một loại chữ ký của tệp dữ liệu hoặc văn bản. Đối với một văn bản, SHA-256 cung cấp một chữ ký 256-bit (32-byte) gần như duy nhất.
Khi được kết hợp với dữ liệu trong khối và được xử lý thông qua một hàm băm, hàm băm phải tạo ra một kết quả đáp ứng các yêu cầu đã nêu của giao thức.
Những người khai thác giành được mã băm sau đó sẽ phát nó lên mạng, cho phép những người khai thác khác kiểm tra xem câu trả lời có chính xác hay không. Nếu câu trả lời là chính xác, khối sẽ được thêm vào blockchain và người khai thác sẽ nhận được phần thưởng khối. Ví dụ: phần thưởng khối hiện tại để khai thác Bitcoin là 6,25 Bitcoin.
3. Ưu và nhược điểm của PoW
Trong PoW, các thợ đào phải trả rất nhiều tiền điện để giải các câu đố toán học phức tạp và xử lý một khối trên mạng. Điện được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các máy tạo ra tài sản kỹ thuật số thông qua quá trình xác minh các giao dịch, được gọi là khai thác. Hơn nữa, chi tiêu năng lượng rất quan trọng đối với an ninh của mạng, vì nó cho phép nó lưu giữ hồ sơ chính xác về các giao dịch và tuân thủ một chính sách tiền tệ được chỉ định, đáng tin cậy.
Hơn nữa, mạng được giữ an toàn vì việc lừa đảo chuỗi sẽ yêu cầu một tác nhân độc hại chiếm 51% sức mạnh tính toán của mạng. Nếu một blockchain được phân nhánh trong hệ thống bằng chứng công việc, các thợ đào phải chọn chuyển sang mạng blockchain được phân nhánh mới hơn hay tiếp tục hỗ trợ blockchain ban đầu.
Một người khai thác sẽ phải phân chia tài nguyên tính toán của họ giữa hai bên của fork để hỗ trợ cả hai blockchain. Kết quả là, thông qua một động lực kinh tế, các hệ thống bằng chứng công việc tự nhiên ngăn chặn việc bẻ khóa liên tục và thúc giục các thợ đào chọn bên không muốn làm tổn hại đến mạng. Mặt khác, nếu bạn dễ bị tấn công 51% hoặc nếu bạn không phải là người nắm giữ đồng tiền quan trọng nhất cho bất kỳ thuật toán băm có thể hoán đổi cho nhau nào, các cá nhân trên đồng tiền lớn hơn có thể quay phần cứng của họ chống lại bạn và hạ gục bạn, và bạn không còn có thể kiếm được một động lực.
Những đặc điểm này phù hợp với lý thuyết trò chơi, trong đó các thợ đào phải hành động một cách chiến lược để tối ưu hóa lợi nhuận đầu tư của họ. Con người, giống như trạng thái hợp lý có giới hạn, sẽ luôn chọn giải pháp đơn giản nhất. Chuyển sang một chuỗi mới hơn khiến mọi thứ trở nên khó khăn hơn. Do đó, lý thuyết trò chơi giúp những kẻ độc tài tránh được sự tham nhũng trong nội bộ và đưa ra các quyết định hợp lý.
Mặc dù có những ưu điểm trên, PoW có thể khá tốn kém và không hiệu quả về mặt sử dụng tài nguyên. Các thợ mỏ phải đương đầu với nhiều loại chi phí, bao gồm cả những thiết bị mới nhất nhanh chóng bị hao mòn. Khai thác mỏ có xu hướng tạo ra rất nhiều nhiệt và có thể tốn điện cắt cổ, tùy thuộc vào vị trí của người khai thác. Hơn nữa, phí giao dịch của hệ thống tăng cao khi mạng trở nên quá tải.
4. Proof-of-stake – PoS là gì?
Vào năm 2011, một cách tiếp cận mới đã được đề xuất trên diễn đàn Bitcointalk để giải quyết sự kém hiệu quả của cơ chế đồng thuận PoW và giảm lượng tài nguyên tính toán cần thiết để chạy mạng blockchain. Thay vì thực hiện công việc hữu hình, khái niệm này dựa trên sự tồn tại của một cổ phần có thể xác minh được trong hệ sinh thái.
Nói một cách khác, để xác thực các giao dịch trên mạng tiền điện tử, người dùng chỉ cần chứng minh rằng họ sở hữu một số lượng mã thông báo tiền điện tử cụ thể có nguồn gốc từ chuỗi khối. Loại cơ chế đồng thuận được các mạng blockchain sử dụng để đạt được sự đồng thuận phân tán được gọi là cơ chế đồng thuận bằng chứng cổ phần.
Ví dụ: người khai thác A đặt 30 đồng, người khai thác B đặt 50 đồng, người khai thác C đặt 75 đồng và người khai thác D đặt 15 đồng. Người khai thác C sẽ được ưu tiên viết và xác thực khối sau trong trường hợp này. Ngược lại với phần thưởng khối trong bằng chứng công việc, Miner C sẽ thu phí giao dịch, tức là phí mạng.
5. PoS hoạt động như thế nào?
Khối genesis là khối ban đầu trong chuỗi khối PoS cũng được mã hóa cứng vào chương trình. Các khối tiếp theo được tải lên blockchain luôn tham chiếu trở lại các khối trước đó và chứa một bản sao sổ cái hoàn chỉnh và cập nhật.
Trong mạng PoS, các thợ đào không tranh giành quyền thêm khối. Thay vì được khai thác, các khối thường được gọi là “đúc” hoặc “rèn”.
Các blockchains PoS, không giống như các blockchains PoW, không giới hạn người có thể đề xuất các khối dựa trên việc sử dụng năng lượng. Bất chấp yêu cầu năng lượng cao của các blockchain PoW, các cơ chế đồng thuận mới như bằng chứng cổ phần loại bỏ nhu cầu khai thác.
Hệ thống bằng chứng cổ phần có một số lợi thế so với hệ thống bằng chứng công việc, bao gồm hiệu quả năng lượng cao hơn vì các khối khai thác không sử dụng nhiều năng lượng. Ngoài ra, bạn không cần công nghệ hàng đầu để tạo các khối mới. Bằng chứng cổ phần dẫn đến mạng có nhiều nút hơn.
Nhiều nút hơn trong một mạng lưới giúp phát triển các tiêu chuẩn quản trị nhằm cung cấp khả năng miễn nhiễm mạnh hơn đối với việc tập trung hóa. Trong các hệ thống PoS, điều này có thể thực hiện được nhờ mức độ độc lập phần cứng cao hơn. Do đó, bằng chứng cổ phần thường được coi là thuật toán đồng thuận ít có khả năng dẫn đến tập trung mạng nhất.
Người dùng muốn được xem xét đưa vào quá trình thêm khối vào blockchain PoS phải đặt cọc hoặc khóa một lượng tiền điện tử cụ thể của mạng trong một hợp đồng duy nhất. Tỷ lệ họ được chọn làm nhà sản xuất khối tiếp theo được xác định bởi số lượng tài sản tiền điện tử mà họ đã đặt cọc. Nếu người dùng hành động ác ý, họ có thể mất tiền đặt cọc do hành động của họ.
PoS có thể bao gồm các yếu tố quyết định khác không phải lúc nào cũng mang lại lợi ích cho các nút giàu có nhất, bao gồm khoảng thời gian một nút đã đặt tiền của nó, cũng như ngẫu nhiên hóa thuần túy. Phần thưởng khối trong PoS đề cập đến phí mạng do blockchain cấp cho người gửi khối hợp lệ, tương tự như cơ chế PoW.
Trong PoS, lựa chọn khối dựa trên quyền sở hữu tiền xu; do đó, các dịch vụ đặt cược được cung cấp bởi các sàn giao dịch, cho phép người dùng thay mặt họ đặt cược tiền điện tử để đổi lấy phần thưởng nhất quán hơn. Nhiều bên liên quan có thể tham gia nhóm đặt cược để tổng hợp tài nguyên máy tính của họ và tối đa hóa cơ hội được thưởng. Nói cách khác, họ tổng hợp sức mạnh đặt cược của mình trong quá trình xác minh và xác thực các khối mới để tối đa hóa cơ hội nhận được phần thưởng khối.
6. Ưu và nhược điểm của PoS
Vấn đề lãng phí nhiều tài nguyên năng lượng đã được giải quyết trong PoS. Hơn nữa, các hệ thống dựa trên PoS có khả năng mở rộng hơn nhiều so với các hệ thống dựa trên PoW và các giao dịch được phê duyệt nhanh hơn nhiều. Khả năng mở rộng có nghĩa là hệ thống đạt được số giao dịch mỗi giây (TPS) cao hơn so với các hệ thống hiện tại, cụ thể bằng cách thay đổi tham số của hệ thống hoặc thay đổi cơ chế đồng thuận của nó.
Mạng PoS đạt được khả năng mở rộng bằng cách thiết lập sự đồng thuận trước khi các khối được xây dựng, cho phép xử lý hàng nghìn yêu cầu mỗi giây với độ trễ tăng đột biến dưới mili giây.
Mặt khác, Proof-of-stake có những khó khăn riêng. Ví dụ: mạng vẫn chịu sự chi phối của những người nắm giữ mã thông báo quan trọng nhất. Điều này cung cấp nhiều quyền lực hơn cho những người sử dụng sớm và những người có nhiều tiền nhất.
Vì khái niệm này vẫn còn tương đối mới, nên nó có thể có những hạn chế mà cộng đồng tiền điện tử chưa thấy rõ. Mô hình này, không giống như bằng chứng công việc, không có hồ sơ theo dõi về hiệu suất. Hơn nữa, việc phân nhánh không được tự động khuyến khích bởi các hệ thống nhận hàng. Người xác nhận sẽ nhận được bản sao trùng lặp của cổ phần của họ trên chuỗi khối mới được phân nhánh khi một chuỗi khối phân tách
Tình trạng tiến thoái lưỡng nan “không có gì nguy hiểm” xảy ra khi trình xác thực ký kết ở cả hai phía của fork, cho phép họ có khả năng chi tiêu gấp đôi số tiền của mình và thu gấp đôi số phí giao dịch như một khoản lợi nhuận.
7. Proof-of-work so với Proof-of-stake
Rõ ràng là từ những giải thích trước đây rằng cả hai cơ chế đồng thuận đều có những ưu điểm và nhược điểm. Tất cả đều có cùng mục tiêu thiết yếu như những mục tiêu được liệt kê ở trên, nhưng họ sử dụng các phương pháp khác nhau để đạt được mục tiêu đó.
Sự khác biệt quan trọng giữa các cơ chế đồng thuận khác nhau là cách chúng ủy quyền và khen thưởng xác minh giao dịch. Các khác biệt khác được giải thích trong bảng dưới đây.
8. Khi nào nên sử dụng PoW hoặc PoS?
Cơ chế đồng thuận rất quan trọng đối với thiết kế phân tán của mạng blockchain vì nó làm giảm sự tập trung của các thực thể chịu trách nhiệm xác thực giao dịch. Để giữ các đặc điểm bất biến, không tin cậy và phân tán của mạng blockchain đòi hỏi một cơ chế đồng thuận hoạt động đầy đủ.
Loại đồng thuận cần thiết tùy thuộc vào nhu cầu của mạng. Ví dụ: cần có bằng chứng công việc để ngăn chặn gian lận, bảo mật và xây dựng lòng tin trong mạng. Người khai thác (hoặc bộ xử lý dữ liệu độc lập) không thể bị đánh lừa về một giao dịch vì có sự bảo vệ được cung cấp bởi PoW. Proof-of-work là một phương pháp bảo mật lịch sử giao dịch của tài sản tiền điện tử đồng thời tăng độ khó của việc thay đổi dữ liệu theo thời gian.
Yêu cầu của một nút tham gia chứng minh rằng công việc đã hoàn thành và được gửi đủ điều kiện để thêm các giao dịch mới vào chuỗi khối, bảo vệ mọi hoạt động độc hại.
Nếu có nhiều bản sao của chuỗi khối trên mạng, PoW sẽ giúp xác định bản sao hợp pháp nhất. Cuối cùng, bằng chứng công việc là điều cần thiết để xây dựng đồng hồ phân tán cho phép thợ đào tự do ra vào mạng trong khi duy trì tốc độ hoạt động nhất quán.
Tương tự, hiệu suất và bảo mật mạng là hậu quả đáng kể của việc sử dụng cơ chế dựa trên PoS. PoS được sử dụng khi yêu cầu tốc độ giao dịch cao cho các giao dịch trên chuỗi mỗi giây và thanh toán chuyển mạng thực tế. Hơn nữa, những người xác thực có khả năng sở hữu một lượng đáng kể mã thông báo mạng, điều này khuyến khích họ về mặt tài chính để giữ cho chuỗi an toàn.
Tuy nhiên, có một số nghi ngờ về sức mạnh của bảo mật PoS và PoW trước các mối đe dọa. Do đó, một cơ chế xác thực được gọi là bằng chứng không gian , hoặc (dự án Chia) được tạo ra để xác thực các giao dịch một cách an toàn. Chia sử dụng cơ chế đồng thuận bằng chứng không gian và bằng chứng thời gian để giải quyết một số vấn đề tập trung gây ảnh hưởng đến các blockchains PoW và PoS.
